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1、 国内通风发酵设备设计现状规模，机构，技术调查 班级：生工 091 班学号：2023053069 姓名：冯文宇 Abstract:With the development of biological technology,bioreactor is a kind of biological function simulator,widely used in pharmaceutical,food and other industries,the bioreactor development present situation,classification,main structure,func
2、tion and the advantages and disadvantages are reviewed.Key word:Biological reactor,Airlift fermentor,Research,Present situation,Classification,Function 摘要：随着生物技术的进展，生物反响器作为一种生物功能模拟机，被广泛应用于制药、食品等行业，本文对生物器的进呈现状、分类、主要构造、功能及优缺点进展了综述。关键词：生物反响器，气升式发酵罐，争论，现状，分类，功能 一、生物反响器的概念 通常所说的反响器主要指发酵器(罐)或培育器，有各种不同档次、不
3、同容积，主要用于生物的培育与发酵等。因此生物反响器是指利用生物体所具有的功能，在体外进展生物反响的一种装置。该装置主要由生物细胞及其催化剂和反响器装置两局部组成，可带各种自动化调整器以掌握温度、PH 值、供液供气量以及取样等设施，计算机技术的应用使生物反响器自动化程度高效化，生产规模大型化。传统生物工业中使用的生物反响器是称为“发酵罐”fermenter。20 世纪 70 年月，Atkinson 提出了生化反响器biochemical reactor一词，其含义包括原有发酵罐外，还包括酶反响器、处理废水用反响器等。与此同时，Ollis 提出了另一术语生物反响器biological reacto
4、r。进入 20 世纪 80 年月，生物反响器不仅包括传统的发酵罐、酶反响器，还包括承受固定化技术后的固定化酶或细胞反响器、动植物细胞培育用反响器和光合生物反响器等。二、生化反响器进展概况 微生物反响器和酶反响器进展至今，已经形成了多种类型。生化反响器按其混合方式，可分为机械搅拌、气升式和空气鼓泡式三大类。然而在相当长一段时间内，由于发酵工业偏重于优良菌种和工艺的改进，对生化反响器本身的争论，尤其是对型反响器的开发所作的努力不够，因而多年来最常用的还是源于化学工业的机械搅拌罐。这种传统的“标准罐”能耗大、构造简单、放大难、易污染，机械搅拌产生的过强的剪切力会影响培育物细胞的生理特性，在粘度较大的
5、培育液中气液接触不良。为解决上述问题，近 20 年来报道开发了气升式、自吸式、喷射式、筛板塔式等假设干型生化反响器。这些反响器各有特点，但进展的主要趋势之一是从机械搅拌过渡到气流搅拌，而改进的核心仍是提高传氧系数和节约能量。由于气升式发酵罐比机械搅拌式罐有明显的优点，在生产 SCP 丝状真菌、废水处理中已获得广泛应用。70 年月初,英国 ICI 公司开发了二种用甲醇连续生产 SCP 的气升式发酵罐，以后又成功地将其应用于废水的生物处理，并在有关国家推广国内上海、江门、周口等地已建筑用于酵母、味精工业生产和废水处理的气升式罐。近年，该类生化反响器又快速向着的反响领域进展。三、通风发酵设备 通风发
6、酵设备是生物工业中最重要的一类生物反响器。通风发酵设备有通风式、气升式、鼓泡式、自吸式发酵设备等多种类型，可用于传统发酵工业与现代生物工业。3.1 机械搅拌式发酵罐 机械搅拌式发酵罐，是指既具有机械搅拌又具有压缩空气分布装置的发酵 罐。机械搅拌式发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、打泡器、中间轴承、空气分布器、挡板、冷却装置及视镜等。机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵设备和技术在整个制药、生物产品的开发过程中起着特别重要的作用。在众多类型的发酵设备中，兼具通气又带机械搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍，广泛使用于抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。标准式发酵罐设计的技术关键在于搅拌技术简单的气液两相流
7、淌问题上。机械搅拌式发酵罐不仅能为制药企业节约可观的投资，还可大大节约能耗等运行费用，同时提高产品产量与收率。机械搅拌式发酵罐主要有三种：通气式、自吸式和外表更式。3.2 气升式反响器 气升式反响器原理是承受内环流气升式中心进气的反响器，内部无搅拌装置，是在传统的鼓泡塔中参加导流筒构成的。当气体通过气体分布器进入中心导流筒后，造成管内流体密度比管外低，在静压差和进入气体的动量作用下，使液体携带气泡在反响器内形成循环流淌，从而到达良好的气液混合。优点主要是具有比其他生物反响器更强的抗杂菌污染的力量，流淌性也更为 均匀，且反响器本身构造简洁，不具反响液泄漏点和卫生死角操作费用也很低。缺点相对来说较
8、少，主要是高密度培育时混合不够均匀。气升式生物反响器用于高生物量的霉菌或放线菌培育，能满足高生物量对溶氧水平的高要求。另外，由于以气体作混和与传质的动力，气液能量传递在瞬间完成，这对象丝状菌等对剪切力敏感菌体培育的影响远小于“通用式”机械搅拌罐。气升式生物反响器用于三抱布拉氏霉菌-萝卜素工业发酵生产，使民胡萝卜素产率比“通用式”机械搅拌罐提高 2 倍左右，发酵周期缩短 48 h 以上。气升式生物反响器用于高粘度培育物发酵，能利用高粘度拟塑性发酵液剪切变稀的流变性质，大幅度降低其表观粘度，提高传质速率和溶氧水平。同时，发酵液在反响器中做整体循环，宏观混和较好，不会产生传统的机械搅拌发酵罐中高粘度
9、物料在远离搅拌桨的近壁区常消灭的滞流边界层，特别是在挡板后面不会形成静止区或滞流区，该区的气体通过罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均匀地和液体混合。气升式生物反响器用于黄原胶、灵芝多糖等多种微生物多糖的工业生产，能显缩短发酵周期，提高多糖产率。气升式生物反响器用于石油产品的发酵将大大改善油水乳化状态，提高溶氧水 平，加快微生物生长和代谢速度，提高生产效率。气升式生物反响器用于工业规模的微生物石油脱蜡，发酵周期比传统的鼓泡反响器缩短 4 倍多，节能 40左右。气升式生物反响器是一种构造颖、混和与传质效率高的反响器。气升式生物反响器对解决一些高生物量、高密度、高粘度、高含油体系的混和和传质难题有独
10、到之处。几年来，气升式生物反响器已成功地应用于高生物量的-胡萝卜素发酵、高糖度的甘油发酵、高粘度的微生物多糖发酵、高含油量的微生物石油脱蜡等。因气升环流发酵罐内没有搅拌器，且有定向循环流淌，故具有多方面优点。(1)反响溶液分布均匀 气一液一固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反响器的普遍要求。对很多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶解氧应尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都在 011范围内，溶解氧为 1030。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。此外，还需避开发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培育基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料
11、，更应能悬浮分散。气升环流发酵罐能很好地满足这些要求。(2)较高的溶解氧速率和溶解氧效率气升式反响器有较高的气含率和比气液接触界面，因而有高传质速率和溶解氧效率，体积溶解氧效率通常比机械搅拌罐高，溶解氧功耗相对低。(3)剪切力小，对生物细胞损伤小 由于气升式反响器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低。(4)传热良好好气发酵均产生大量的发酵热，而传热温差则只有几度()，尤其夏季，假设使用非冷冻水，则只有310左右，故需要很大的换热面积与传热 系数。气升式反响器因其液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热而掌握适宜的发酵温度。(5)构造简洁，易于加工制造气升
12、式反响器罐内无机械搅拌器，故不需安装构造简单的搅拌系统，密封也简洁保证，因此加工制造便利，设备投资低，放大设计制造大型和超大型发酵反响器也简洁实现。影响气升环流式发酵罐特性的主要构造及操作参数包括高径比、导流筒高度与反响器高度之比、导流简直径与反响器直径比、导流筒顶部和底部与罐顶和罐底的距离、通气速率、循环时间、平均循环雷诺准数、平均循环速度等。主要缺点：需要格外大的空气吞吐量，相间混和接触较差；当循环的有机体和操作条件发生变化时，底物、养分物和氧的量不能保持全都；混和与通气是耦合问题，也即很难在不转变通气的条件下改善混和状况。由于气升式发酵罐有明显的优点，在生产 SCP、丝状真菌、废水处理中
13、已获得广泛应用。70 年月初，英国 ICI 公司开发了二种用甲醇连续生产 SCP 的气升式发酵罐，以后又成功地将其应用于废水的生物处理，并在有关国家推广(目前 ICI 公司已放大至 2023m，苏联用于柠檬酸发酵的气升式罐也达 200m)。国内上海、江门、周口等地已建筑用于酵母、味精工业生产和废水处理的气升式罐。3.3 鼓泡式反响器 最简洁的鼓泡式反响器内部为空塔，塔的底部用筛板或气体分布器来分布空气。其工作原理是利用通入培育基中的气泡在上升时带动液体产生混合，并将气泡中的氧气传入培育基中供菌体利用。一般塔式反响器内装有假设干块筛板，压缩空气由罐底导入，经筛板渐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵
14、液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。鼓泡塔反响器在实际应用中具有以下优点：(1)气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液反响层，保证了气、液接触面，使气、液充分混合，反响良好。(2)构造简洁，简洁清理，操作稳定，投资和修理费用低。(3)鼓泡塔反响器具有极高的储液量和相际接触面积，传质和传热效率较高，适用于缓慢化学反响和高度放热的状况。(4)在塔的内、外都可以安装换热装置。(5)和填料塔相比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。鼓泡塔在使用时也有一些很难抑制的缺点，主要表现如下：(1)为了保证气体沿截面的均匀分布，鼓泡塔的直径不宜过大，一般在 2-3m 以内。(2
15、)鼓泡塔反响器液相轴向返混很严峻，在不太大的高径比状况下，可认为液相处于抱负混合状态，因此较难在单一连续反响器中到达较高的液相转化率。(3)鼓泡塔反响器在鼓泡时所耗压降较大。鼓泡塔反响器广泛应用于液体相也参与反响的中速、慢速反响和放热量大的反响。例如，各种有机化合物的氧化反响、各种石蜡和芳烃的氯化反响、各种生物化学反响、污水处理曝气氧化和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反响，都承受这种鼓泡塔反响器。3.4 自吸式反响器 自吸式反响器是一种不需要，而在搅拌过程中自行吸入空气的反响器。自吸式反响器的关键部件是带有中心吸气口的搅拌器。搅拌器叶轮旋转时，叶片不断排开四周的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐
16、外空气，吸入的空气与发酵液混合后在叶轮末端排出，并通过导向轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。但由于空气靠反响液高速流淌形成的真空自行吸入，气液接触良好，气泡分散细，因而溶氧系数高。但是，其缺点是进罐空气处于负压，因而增加了染菌时机。自吸式反响器成功地应用于化学制药、染料、食品油脂等工业的氢化、胺化、氟化、烷基化等生产过程。四，在食品加工业中的应用 随着固态发酵技术的改进和完善，固态发酵不仅可以应用于液态发酵不能实现的发酵过程，也可应用于一些目前已有的液态发酵过程并与之一争凹凸。应用现代固体发酵技术能实现大规模生产，而且其投资规模和生产本钱往往要比液态发酵法低，特别适合于一些精细发酵制
17、品的制备和生产，更重要的是现代固态发酵往往没有影响环境污染的废物产生，在食品加工业中将发挥越来越重要的作用。1 在酱油酿造制曲中的应用 制曲是酱油生产中较为重要的一环，它直接影响到酱油的品质和产量。传统酱油生产中种曲和成曲的制备都是在放开的环境中进展，很简洁感染杂菌，影响 种曲和成曲的质量，从而直接影响酱油的品质和产出量。承受现代固体发酵技术能很简洁抑制上述问题。2 在酶制剂生产中的应用 -淀粉酶是目前国内用途最广泛、产量最大的酶制剂品种之一，在食品加工中主要用于淀粉加工业和酒精酿造业。生产-淀粉酶的菌种主要有细菌和霉菌，霉菌-淀粉酶大多承受固态法生产，而细菌 淀粉酶则多承受液态深层发酵法生产
18、。近年来，有争论者尝试用枯草杆菌7658 变异菌种进展固态发酵，其产酶酶活比液态发酵要高 45 倍，而且生产本钱比较低，具有可观的经济效益。固态发酵可以产生高活力淀粉酶的缘由是固态发酵中培育基麸皮的碳源浓度比液态深层发酵中的碳源浓度高得多，并且固态发酵中养分基质从固体颗粒到细胞的传递阻力较大，不如在液体深层发酵中从液体基质到细胞内部那样相对简洁，从而消退了液体深层发酵中酶合成的分解代谢阻遏，大量合成-淀粉酶。纤维素酶有可能使植物纤维素糖化转变成食品原料，因此从长远来看纤维素酶的生产是一项很有意义的工作。目前国内外纤维素酶生产工艺有两种：固态发酵和深层液体发酵。在生产纤维素酶上，固态发酵占有很多
19、优势，发酵条件环境更接近于自然状态下木霉生长习性，使其产生的酶系更全，有利于降解纤维素，同时能源消耗少，设备投资相对削减，酶产品收率高，后续提取过程较液态发酵易处理。除此之外，还有一些其它的酶也可用现代固态发酵技术来制备。3 在食用菌生产中的应用 食用菌不仅养分丰富，而且还具有肯定的保健功能，因此其栽培生产是一项很有意义的工作。承受培育基灭菌技术、纯种接种技术、纯种培育技术，自动掌握温度和湿度的栽培治理技术等现代固态发酵技术栽培食用菌，不但可以实现稳产高产、增加经济效益，而且还可以提高产品品质，削减杂菌污染，提高其市场竞争力。4 在柠檬酸生产中的应用 柠檬酸一般是用黑曲霉或假丝酵母通过液态发酵
20、生产的。利用现代固体发酵技术，既可以利用农业残渣作碳源生产柠檬酸，又可以掌握发酵的工艺条件，实现柠檬酸生产过程的纯种固态发酵。5 在红曲生产中的应用 红曲是我国黄酒特有的糖化发酵剂，生产中以大米为原料，经浸米、蒸料后拌入红曲菌种培育制成。红曲培育通常要求掌握肯定的温度和湿度，承受现代固态发酵技术和设备，可以使发酵过程易掌握，发酵过程中化学养分物质添加便利，并可防止杂菌的污染，获得高产量和高质量的产品。五、小结与展望 综上所述，传统的发酵罐是工业中应用的最重要的生物反响器，生产传统发酵产品或型发酵产品中均会发挥重要作用，它的应用仍旧是我国发酵工业的必要手段。前面的表达充分显示了发酵工程用于微生物
21、资源开发及其产业化的作用,特别是构建的基因工程菌可能产生潜在的市场效益，必需通过发酵工程的运用来实现。因此，要使发酵工程有效地效劳于经济建设，必需把发酵工程的中试基地所需配套建设落到实处，由于它是联系生产、实行规模生产的桥梁。为适应现发酵工业生产及不同产品种类的需要，传统的生物反响器需要不断完善和更，向着多元化进展，以适应各种生物产品的大规模工业化生产的需求，制造更大的利润。参考文献：1 贾世儒.生物反响工程原理M.北京：科学出版社，2023.1 2 王岁楼,张平之.微生物生化工程争论进展J.食品与发酵工业.1993,04：67-71.3 罗明典.发酵工程假设干方面的争论进展J.食品与发酵工业.1993,04：72-77.4 欧阳藩.生物技术中工程设备的一些进展J.中国生物工程杂志.1992,02：1-7.5 吴电云,邹宁,常林.生物反响器的争论进展J.生命科学仪器2023,03:58-61.6 唐江伟,吴振强.型生物反响器构造争论进展J.中国生物工程杂志 2023,27(5):146-152.7 百度百科